基于dc-dc開(kāi)關(guān)變換器的自適應(yīng)控制方法研究

徐小琪

（安徽涉外經(jīng)濟(jì)職業(yè)學(xué)院 安徽·合肥 230011）

dc-dc開(kāi)關(guān)電源的很多性能參數(shù)都和開(kāi)關(guān)頻率、負(fù)載等因素相關(guān)，是在持續(xù)變化之中的。設(shè)計(jì)dc-dc自適應(yīng)控制系統(tǒng)，讓控制參數(shù)可以隨著外界環(huán)境和使用需求來(lái)自適應(yīng)調(diào)整，讓系統(tǒng)在不同條件下均可以具有穩(wěn)定的性能，成為dc-dc開(kāi)關(guān)變換器優(yōu)化的方向。

1 自適應(yīng)數(shù)字變換器方案

以Buck變換器為例來(lái)分析dc-dc開(kāi)關(guān)變換器的數(shù)字控制方式，研究數(shù)字控制方法，提高系統(tǒng)性能，減小控制產(chǎn)生的誤差，分析數(shù)字控制系統(tǒng)的頻域相應(yīng)，進(jìn)一步對(duì)數(shù)字控制dc-dc開(kāi)關(guān)變換器進(jìn)行自適應(yīng)控制方法的研究。圖1為dc-dc開(kāi)關(guān)變換器模型。

圖1：dc-dc開(kāi)關(guān)變換器模型

圖中虛線框部分是電路的數(shù)字控制模塊，其基本原理在于，對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，與輸出電壓相比較，得到誤差電壓Ve，ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以將誤差電壓轉(zhuǎn)換為圖中的數(shù)字信號(hào)Ve[n]，通過(guò)PID/PD/PI進(jìn)行補(bǔ)償，結(jié)合自適應(yīng)控制算法，得到數(shù)字控制信號(hào)，產(chǎn)生脈沖信號(hào)，通過(guò)DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器把數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)元器件，控制其通斷。如果負(fù)載發(fā)生變化，輸出低電壓Vout會(huì)隨著負(fù)載變化而變化，網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的部分參數(shù)則會(huì)跟隨Vout的變化而變化，系統(tǒng)運(yùn)用自適應(yīng)控制技術(shù)補(bǔ)償系統(tǒng)相位和增益，讓系統(tǒng)瞬態(tài)迅速穩(wěn)定。

2 基于dc-dc開(kāi)關(guān)變換器的自適應(yīng)控制等效模型

dc-dc數(shù)字開(kāi)關(guān)變換器的傳遞函數(shù)模型如圖2所示。

圖2：dc-dc數(shù)字開(kāi)關(guān)變換器的傳遞函數(shù)模型

根據(jù)傳遞函數(shù)模型所示，Vout是電路輸出電壓，Vref為電路參考電壓，H（z）是系統(tǒng)反饋的傳遞函數(shù)，Ge（z）為補(bǔ)償系統(tǒng)傳遞函數(shù)，Ap（z）標(biāo)識(shí)的是增加采樣保持后的功率傳遞函數(shù)。Dc-dc數(shù)字控制開(kāi)關(guān)變換器的輸出電壓取模擬量，經(jīng)過(guò)取樣之后，與A/D轉(zhuǎn)換器把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。誤差電壓經(jīng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)后呈現(xiàn)的控制信號(hào)直接是數(shù)字量。主電路參數(shù) Vin取12-15V之間，電感L取35uH,輸出電容1450uf，電容串聯(lián)獲得的阻抗R為50m，輸出電阻R為1，參考電壓1.5V，開(kāi)關(guān)頻率取100kHz，輸出電壓5V，輸出電流5A，波紋不能大于45mV。數(shù)字控制電路中采樣系數(shù)取0.28，轉(zhuǎn)換器分辨率可調(diào)，調(diào)整為8位，分辨率調(diào)整為10位。則dc-dc開(kāi)關(guān)變換器的功率傳遞函數(shù)如下：

3 基于dc-dc開(kāi)關(guān)變換器的自適應(yīng)控制方法參數(shù)調(diào)整

3.1 補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

通常情況下，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在開(kāi)關(guān)變換器的控制回路中可以起到以下作用：首先是信號(hào)放大作用，將采樣電壓和參考電壓相比較，獲得誤差信號(hào)反向方法，提供控制信號(hào)，也就是輸出電壓高于標(biāo)準(zhǔn)電壓時(shí)，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)就會(huì)減小控制信號(hào)，如果輸出電壓低于標(biāo)準(zhǔn)電壓，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)就會(huì)增大控制信號(hào)。其次，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合理的相位與幅度補(bǔ)償，讓系統(tǒng)具備更高的相位和幅度的變換裕度，確保系統(tǒng)的瞬態(tài)穩(wěn)定。計(jì)算機(jī)技術(shù)推動(dòng)了開(kāi)關(guān)變換器的數(shù)字控制技術(shù)的研究，控制領(lǐng)域從模擬控制進(jìn)入數(shù)字控制階段。使用計(jì)算機(jī)組成控制系統(tǒng)，設(shè)定邏輯功能，編寫(xiě)代碼來(lái)模擬電路中的高功率、電阻、電容等參數(shù)，通過(guò)軟件進(jìn)行控制，系統(tǒng)非常便捷，實(shí)時(shí)性較強(qiáng)。數(shù)字補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)也可以運(yùn)用編碼方式解決。數(shù)字控制是將系統(tǒng)偏差、微分和計(jì)分運(yùn)用線性組合構(gòu)建控制器的控制量系統(tǒng)，對(duì)開(kāi)關(guān)的參數(shù)與通斷進(jìn)行控制，從而控制輸出。在這樣的數(shù)字控制電路中，物理意義非常明確，便于程序化調(diào)節(jié)。比例調(diào)節(jié)的相應(yīng)速度很快，系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)誤差，則能夠迅速調(diào)節(jié)。但是要根據(jù)系統(tǒng)情況選擇比例調(diào)節(jié)的程度，比例調(diào)節(jié)過(guò)大也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)大的瞬態(tài)變化。積分調(diào)節(jié)可以消除系統(tǒng)靜差中出現(xiàn)的誤差，系統(tǒng)穩(wěn)定性更好。如果自動(dòng)控制器出現(xiàn)了積分環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)比例不易控制，動(dòng)態(tài)響應(yīng)不足。在此時(shí)加入微分環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間間隔，讓系統(tǒng)性能更加穩(wěn)定。

3.2 參數(shù)調(diào)節(jié)

每個(gè)控制周期開(kāi)始時(shí)，設(shè)定電壓變化整定值。dc-dc開(kāi)關(guān)變換器會(huì)對(duì)實(shí)際的輸出電壓與參考電壓加以對(duì)比，計(jì)算誤差信號(hào)Ve，經(jīng)過(guò)ADC，把模擬信號(hào)Ve轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)Verror（n）；該信號(hào)的絕對(duì)值與電壓的絕對(duì)值進(jìn)行比較，如果數(shù)字信號(hào)絕對(duì)值大于電壓絕對(duì)值，則執(zhí)行下個(gè)步驟，如果數(shù)字信號(hào)絕對(duì)值小于電壓絕對(duì)值，則整定系統(tǒng)參數(shù)，當(dāng)前的周期誤差和前一個(gè)周期誤差相等，也就是Verror(n)=Verror(n-1),不再計(jì)算誤差信號(hào)的波動(dòng)，重復(fù)循環(huán)各個(gè)步驟。這個(gè)算法，需要整定值與系統(tǒng)電壓進(jìn)行預(yù)先設(shè)定，其他電壓則是被動(dòng)狀態(tài)，需要進(jìn)行自適應(yīng)監(jiān)測(cè)。應(yīng)該注意的是，整定值在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下并不穩(wěn)定，不能用來(lái)代替常規(guī)的整定值，整定值只能在瞬態(tài)情況下使用。

3.3 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

在軟件平臺(tái)上搭建一個(gè)dc-dc開(kāi)關(guān)變換器的數(shù)字電壓控制開(kāi)關(guān)變換器仿真模型。模型包含控制電路，主動(dòng)率線路采用的電路模型讓控制過(guò)程更加直觀具體，也提高了仿真結(jié)果的精確性。外圍電路包含了ADC、補(bǔ)償模塊和采樣電路模塊。ADC模塊，包含延遲模塊，0階保持器，數(shù)字量化模塊，系統(tǒng)限幅模塊，增益部分。延遲模塊可以將模擬電路以為元器件過(guò)多過(guò)于老化等問(wèn)題導(dǎo)致的延時(shí)情況也模擬出來(lái)，0階保持器可以在不同時(shí)刻將采樣值保持到下一個(gè)時(shí)刻，能夠確保周期內(nèi)有一個(gè)穩(wěn)定的值，直至下個(gè)周期到來(lái)，值才會(huì)變化。量化模塊將采樣模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，ADC將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字電壓信號(hào)，并且為下一階段的控制提供輸入信號(hào)。主電路參數(shù)輸入到仿真電路中，使用自適應(yīng)控制法之后，系統(tǒng)的瞬態(tài)反應(yīng)時(shí)間比普通的控制方法減少了0.1ms，上沖電壓減少了200mV，輸出定壓的紋波更加穩(wěn)定，表明自適應(yīng)控制能夠減小輸出電壓的波動(dòng)幅度，確保系統(tǒng)的瞬態(tài)性能和穩(wěn)定性。

dc-dc開(kāi)關(guān)變換器中，開(kāi)關(guān)頻率改變也會(huì)引起系統(tǒng)效率和功耗的改變，但是并不影響系統(tǒng)整體性能。開(kāi)關(guān)變換器的頻率提高，則系統(tǒng)傳輸損耗會(huì)增大。為了避免出現(xiàn)較大損耗，提高傳輸效率，提出一種在開(kāi)關(guān)變換器發(fā)生頻率變化時(shí)采用動(dòng)態(tài)自適應(yīng)算法來(lái)進(jìn)行數(shù)字控制的方法，優(yōu)化電路控制方法，減少電磁干擾對(duì)系統(tǒng)電路數(shù)字控制帶來(lái)的壓力。隨著開(kāi)關(guān)變換器頻率增加，輸出電壓與輸出的電流波形更加平滑，瞬態(tài)變化發(fā)生時(shí)，輸出電壓過(guò)沖比傳統(tǒng)方式降低了190mV,但是瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間幾乎一致，說(shuō)明開(kāi)關(guān)變換器頻率變化對(duì)系統(tǒng)的瞬態(tài)性能無(wú)影響。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)dc-dc開(kāi)關(guān)變換器的自適應(yīng)控制技術(shù)展開(kāi)分析，介紹了自適應(yīng)控制的電路補(bǔ)償器設(shè)計(jì)方案，對(duì)自適應(yīng)控制的算法流程進(jìn)行闡述，運(yùn)用自適應(yīng)控制算法對(duì)開(kāi)關(guān)變換器，適當(dāng)?shù)呢?fù)載出現(xiàn)跳變情況時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整參數(shù)來(lái)維持輸出的穩(wěn)定。自適應(yīng)控制是準(zhǔn)確可靠的，該系統(tǒng)算法能夠確保系統(tǒng)穩(wěn)定，也提高了系統(tǒng)整體性能。